Kelenjar pineal terletak di atas otak kecil dan dekat pusat otak manusia. Kelenjar ini sangat kecil, berukuran kurang dari 1/2 inci (1.27 cm). Sintesis melatonin terjadi di kelenjar pineal sebagai respons terhadap perubahan cahaya. Pada manusia, sekresi hormon ini mengatur tidur dan terlibat dalam penyakit terkait usia dan gangguan afektif musiman (SAD).
Retina di mata mentransmisikan informasi tentang paparan cahaya ke kelenjar pineal. Kelenjar pineal menggunakan informasi ini untuk mengoordinasikan jam biologis manusia. Melatonin disekresikan oleh kelenjar pineal di malam hari untuk membantu menginduksi tidur, sementara paparan cahaya menghambat produksi melatonin. Pada siang hari, sekresi melatonin hampir nol.
Kelenjar pineal dan melatonin terlibat dalam gangguan afektif musiman. Pada bulan-bulan musim dingin di garis lintang utara, jumlah sinar matahari menurun. Penurunan siang hari menyebabkan kelenjar pineal meningkatkan produksi melatonin. Peningkatan kadar melatonin menyebabkan kantuk yang berlebihan, penambahan berat badan, kelelahan dan depresi. Mengekspos pasien SAD ke sinar matahari buatan menghambat produksi melatonin dan memperbaiki gejala.
Jet lag disebabkan oleh gangguan ritme sirkadian akibat kurangnya kegelapan yang terjadi saat penerbangan maskapai melintasi zona waktu mengganggu kelenjar pineal dan produksi melatonin. Gejala jet lag termasuk insomnia, kelelahan dan kabut otak, meskipun mengonsumsi suplemen melatonin dapat membantu memulihkan ritme sirkadian. Pekerja shift malam mengalami gejala yang mirip dengan jet lag. Bagi para pekerja ini, tidur dengan tirai gelap dapat membantu mensimulasikan malam hari dan menginduksi produksi melatonin.
Kelenjar pineal dan produksi melatonin berubah seiring bertambahnya usia. Produksi melatonin menurun dan kelenjar pineal mengalami pengapuran yang disebut sebagai pasir otak. Melatonin adalah antioksidan kuat dan terlibat dalam mempromosikan enzim glutathione peroksidase, antioksidan lain. Kedua antioksidan ini mencegah kerusakan akibat radikal bebas. Ketika kadar melatonin menurun, kerusakan radikal bebas yang dihasilkan dapat berkontribusi pada penuaan dan penyakit terkait usia.
Pada mamalia dengan musim kawin tertentu, kelenjar pineal dan kadar melatonin juga mengontrol kesuburan. Di luar musim kawin, pejantan tidak menghasilkan sperma karena kadar melatonin yang tinggi menghambat gonad. Di musim semi, jumlah siang hari meningkat, kadar melatonin turun dan hewan siap untuk siklus perkembangbiakan baru. Manusia tidak mengalami reproduksi musiman, sehingga kadar melatonin tidak mempengaruhi kesuburan manusia.